兼具发电功能的张力腿平台系统动力响应研究_李振眠.pdf

兼具发电功能的张力腿平台系统动力响应研究李振眠a，b，余杨a，b，余建星a，b，张晓铭a，b，常雪莹a，b，徐立新a，b（天津大学 a.水利工程仿真与安全国家重点实验室；b.天津市港口与海洋工程重点实验室，天津 300072）摘要：本文针对一种由张力腿平台-内嵌式波能发电装置组成的多功能张力腿平台系统，考虑平台本体有限位移、六自由度运动耦合以及气室空气压缩性等非线性因素，建立系统的耦合动力学方程。采用变步长四阶-五阶龙哥库塔算法编写了数值仿真程序，计算得到了包括平台本体六个自由度运动、四个U型振荡液柱液面变化和八个气室-涡轮组的气室压力的响应。通过文献对比，验证了水动力模型和计算程序的正确性。计算结果表明：工作海况中振荡液柱液面变化能有效引起气室振荡；张力腿平台系统的动力响应满足油气生产作业要求。不同节流孔板开孔率、不同气室高度敏感性分析表明系统的运动性能稳定。建议发电系统开启时保持节流孔板完全打开和较小的气室高度。关键词：多功能浮式平台；波浪发电；振荡液柱；多体动力学；水动力稳定性中图分类号：P751文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2023.02.004Dynamic response of tension leg platform withadditional power generation functionLI Zhen-miana,b,YU Yanga,b,YU Jian-xinga,b,ZHANG Xiao-minga,b,CHANG Xue-yinga,b,XU Li-xina,b(a.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety;b.Tianjin Key Laboratory of Port and Ocean Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)Abstract:This paper focuses on a tension leg platform(TLP)-embedded wave energy converters system withan additional energy production function.Considering nonlinear factors such as TLP hull finite displacement,six-degree freedom motion coupling and air compressibility,the coupled dynamic equations of the systemwere established.The coupled dynamic equations were written as a simulation program and solved by thefour-order Runge-Kutta algorithm with variable time steps.The six-degree freedom of the TLP,the variations of the liquid level of the four U-shaped oscillating liquid columns and the air chamber pressure responses of eight air chamber-turbine groups were calculated.The correctness of the wave force calculation was verified through literature comparison.Results show that the oscillating liquid can effectively cause the fluctuation of the air chamber and that the hydrodynamic performance of the novel system can meet the offshore production operation requirements.The influence analysis of orifice ratios and air chamber heights proves hydrodynamic stabilities of the system reliable,A fully-opened orifice and a small chamber height are recommended when the embedded wave energy converter is working.Key words:multi-use offshore platform;wave energy convert;oscillating liquid column;第27卷第2期船舶力学Vol.27 No.22023年2月Journal of Ship MechanicsFeb.2023文章编号：1007-7294（2023）02-0195-13收稿日期：2022-08-23基金项目：国家自然科学基金资助项目（51779173）；高新技术船舶科研项目（MC-202030-H04）作者简介：李振眠（1994-），男，博士研究生；余杨（1988-），男，博士，副教授，通讯作者，E-mail:。multibody dynamics;hydrodynamic stability0 引言多功能浮式平台具有较高的经济和环境效益，日渐成为海洋工程浮式平台设计的新潮流1-2。欧盟于2011年发起了“The Ocean of Tomorrow”倡议，资助了H2OCEAN、MERMAID和TROPOS等三个项目3，致力于多功能海上平台概念设计和可行性评估。2014年，Maribe启动了Horizon 2020（H2020）项目，研究组合不同海洋开发要素（Blue Growth Sectors）的投资前景4。2018 年，SpaceSea5和 BlueGrowth Farm6启动。其中，前者旨在建设一个可持续使用且经济效益显著的海上工作站，后者则是设计同时实现水产养殖和波浪发电的多用途海上浮式平台。更多关于多功能浮式平台的最新情况可参考文献7-8。已有的研究主要集中在多功能浮式平台概念创新和社会经济评价，涉及运输、能源、水产养殖和旅游休闲等用途的综合开发。本文致力于探索海洋平台与石油开采并行的其他可能性，将张力腿平台（TLP）与波浪能发电相结合，发展兼具发电功能的多功能TLP系统。本文的研究对象为图1所示的TLP-EWEC系统9。该系统包括一个TLP本体，四个U型振荡液柱和八个气室-涡轮组。其中，振荡液柱和气室-涡轮组组成的发电模块称为内嵌式波能发电装置（embedded wave energy converter，EWEC）。振荡液柱对称安装于TLP本体内部，其水平段中间布置有节流孔板，能够通过调整开孔率大小调整振荡液柱的阻尼大小。工作流体就地取材，选用海水。气室-涡轮组布置在振荡液柱两侧自由液面之上，气室通过狭窄的气流通道与操作间的大气相通，涡轮安装于气流通道之中。该设计为多功能TLP系统，在TLP正常开展油气生产作业的同时，能够实现波能发电。TLP-EWEC系统的发电原理与传统的振荡水柱式波能发电装置（oscillating water coloum，OWC）10类似：在波浪载荷作用下，TLP本体产生的运动会引起振荡液柱中流体往复运动，将增大或者减小气室体积，推动气室与外界大气进行气体交换，从而在气流通道内产生振荡气流。威尔斯（Wells）涡轮11适用于这样的往复振荡气流工况，能够将振荡气流的机械能转化为自身的转动动能，然后通过电机设备转化为电能。（a）系统示意图（b）布置俯视图图1 TLP-EWEC系统8Fig.1 TLP-EWEC system8本文在文献9工作的基础上，重点开展TLP-EWEC系统的动力响应分析。基于多体动力学理论、波浪力学理论和空气动力学理论，考虑平台本体有限位移、六自由度运动耦合以及气室空气压缩性等非线性因素的影响，建立系统耦合动力学方程，编写数值仿真程序开展计算。基于计算结果，对比分析工作海况和生存海况中TLP-EWEC系统与传统TLP的响应并开展不同节流孔板开孔率和气室196船舶力学第27卷第2期高度敏感性分析，评估新系统的水动力性能是否满足油气生产作业要求和发电的可行性，以期为多功能浮式平台设计和海洋波浪能开发提供设计参考。1 多体耦合动力学建模1.1 多体动力学方程TLP-EWEC系统可处理为多体系统12。采用上角标将TLP本体和四个振荡液柱分别标记为0,1,2,3,4。如图2所示，取平台本体静平衡位置的重心作为坐标原点，建立空间固定坐标系X1X2X3。取平台 本 体 的 重 心 建 立 随 平 台 运 动 的 随 体 坐 标 系X01X02X03。当系统处于静力平衡时，X1X2X3与X01X02X03重叠，并且X3正向为垂直海平面向上。将 TLP 本体视为刚体，其空间位置用矢量q描述，即q0=|R00=q1q2q3q4q5q6T(1)式中，R0=R01R02R03T=q1q2q3T为纵荡、横荡和垂荡，0=T=q4q5q6T为横摇、纵摇和艏摇。对于平台本体上的任意一点P，其绝对坐标为r0P=R0+A0u 0(2)式中，r0P为点 P 在坐标系X1X2X3中的位置矢量，u 0为点 P 在坐标系X01X02X03中的坐标，A0为坐标系X01X02X03到坐标系X1X2X3的转换矩阵。需要说明的是，此处A0取完整形式，不通过小位移假设进行简化，即考虑六自由度大位移耦合作用。对式（2）求导，可得点P的绝对速度为r?0P=R?0+A0()0 u 0(3)式中，0为角速度矢量。由于坐标系X01X02X03的坐标原点位于平台本体的重心，平台的动能T0为平台本体平动动能T0RR和转动动能T0之和，即T0=T0RR+T0=12R?0Tm0RRR?0+12 0TI0 0(4)式中，m0RR为平台本体的质量矩阵，I0为平台本体的转动惯量矩阵。平台本体的重力势能U0为U0=0gA03r0PdV0=m0gR03(5)式中，A03为坐标转换矩阵A0的第三行向量。如图3所示，对于标记为i（i=1,2,3,4）的振荡液柱，其空间位置可以通过在平台本体上的安装位置确定。定义水平段中点坐标为u i0，长度为lih，截面积为aih；两个垂直段与水平段的交点坐标为u i1和u i2，液柱静平衡高度均为liv，截面积为aiv；摆放的角度为i。假设垂直液柱内液体的瞬时液面位移为Hi，流动速度大小为H?i，则振荡水柱内的液柱微段绝对速度r?ij为图2 TLP坐标系Fig.2 Coordinate systems of the TLP configuration图3 振荡液柱示意图Fig.3 Schematic model of theoscillating liquid第2期李振眠等：兼具发电功能的张力腿平台 197r?ij=R?ij+Aij()ij u ij+v ij,j=0,1,2(6)式中，Rij=R0，Aij=A0，ij=0，j为水平段和垂直段的编号，v i0=-H?icosi,H?isini,0T，v i1=0,0,H?iT，v i2=0,0,-H?iT。振荡液柱i各段液柱的动能Tij为Ti0=-lih/2lih/212aihr?i0Tr?i0dl,Ti1=0liv-Hi12aivr?i1Tr?i1dh,Ti2=0liv+Hi12aivr?i2Tr?i2dh(7)式中，为振荡液柱内海水的密度。重力势能Uij为Ui0=-lih/2lih/2gaihA3ri0Tdl,Ui1=0liv-